一种自进式旋转喷嘴的制作方法

本实用新型涉及高压水射流喷嘴领域，特别是涉及一种用于破岩过程中的自进式旋转喷嘴。

背景技术：

高压水射流技术是近二、三十年来得以迅速发展起来的一门新技术，用于清洗除垢、切割、破岩等。高压水射流是以水为工作介质，通过增压设备升压后通过喷嘴产生高速射流束，具有极高的能级密度。

高压水射流破岩是高压水射流技术应用的一个重要方面，主要应用于钻径向水平井过程中。利用高压水射流破岩方法在直井的产层部位钻出多个辐射状水平井眼，以提高薄油层、低渗油层和气锥、水锥油层的开发效果，进一步提高油气采收率。该钻井技术不需要钻柱和钻头的旋转，不需要给钻头施加用以破岩的“钻压”，只需利用高压水射流全面破碎井底岩石，形成井眼，从而彻底解决了常规水平井钻井技术所遇到的钻压施加困难及钻柱旋转带来的一系列复杂问题，提高了钻井速度，减少了井下复杂事故的发生。

喷嘴是高压水射流的执行元件和最终元件，因此，喷嘴的研究一直是水射流研究的重点。喷嘴通常固定连接在钻井设备的心轴上，钻井设备随着喷嘴移动。现有技术中用于高压水射流破岩过程中的喷嘴通常仅包括朝向前端用于破碎岩石的射流，以及沿轴向超向后端使喷嘴前进的自进式射流，并且其结构较为复杂，且破岩后不能够对碎石及时进行清理，导致碎石对喷嘴表面摩擦碰撞，减少喷嘴的使用寿命。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述问题，本实用新型提供了一种自进式旋转喷嘴，解决了现有技术中使用高压水射流技术破岩过程中，破岩效率低，且碎石不能及时排除磨损喷嘴的技术问题。

为了达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案如下：

提供一种自进式旋转喷嘴，其包括喷嘴身，喷嘴身的一端设置有外表面为球面的喷嘴头，喷嘴头上设置有朝向多个方向的破岩孔；喷嘴身的另一端为高压水进入端，高压水进入端通过进口流道与喷嘴内腔连通，破岩孔与喷嘴内腔连通；喷嘴身的侧壁上对称设置有绕其轴线向高压水进入端旋转的螺旋通道，螺旋通道的起始端与喷嘴内腔连通，终端延伸到喷嘴外。

进一步地，螺旋通道的环绕角度大于15°且小于45°。高压水从螺旋通道喷出，给喷嘴一个朝向斜后方的力，给予喷嘴旋转和前进的动力，若环绕角度过大，螺旋通道过长，使得旋转的动力过大而前进的动力减小，只有在上述范围内的环绕角度，旋转动力和前进动力的分布才最为合理。

进一步地，喷嘴身的侧壁上设置有多组对称的螺旋通道。设置多组螺旋通道，能够增加喷嘴的稳定性和对中性，增加其破岩的准确性。

进一步地，进口流道邻近喷嘴内腔的一端呈锥形，其口径从进水端到出水端逐渐减小。进口流道的进口口径大，能够防止进口的流量不足，导致阻力大产生气蚀现象；而出口口径小，能够进一步增加高压水的压力和加快流速，从而增加本喷嘴产生的高压水射流的动量，提高破岩效率。

进一步地，喷嘴内腔为弧形腔，喷嘴内腔中放置有滚珠。高压水进入喷嘴内腔中，并在喷嘴内腔中高速旋转，带动滚珠在喷嘴内腔中作无规则的运动，使高压水产生高频率的震荡，产生脉冲射流效果，提高破岩效率，冲砂解堵。

进一步地，进口流道上设置有密封管螺纹。密封管螺纹使本喷嘴与芯轴连接时不再需要另外设计安装密封件来密封，简化了加工步骤；若水压过高，仅仅只需要在螺纹上涂抹一层螺纹胶来增加密封管螺纹的密封效果。

进一步地，破岩孔包括中心破岩孔和若干外围破岩孔，中心破岩孔位于喷嘴轴线上，外围破岩孔的轴线与中心破岩孔的轴线呈30°至35°的夹角。从破岩孔喷出的高压水射流用来破碎前方的岩石，中心破岩孔用于确定钻井的方向和路径，外围破岩孔用于增加高压水射流的作用点和作用面积，加快破岩速度，并减小碎石的体积，利于碎石及时排出。

进一步地，若干外围破岩孔均匀分布于同一圆周上。使钻出的孔更加规整、易于控制。

进一步地，中心破岩孔与外围破岩孔的轴线相交于球面喷嘴头的圆心处。使得所有的破岩孔均是垂直于喷嘴头的球形侧壁，以保证高压水射流以最大的动量喷射在岩石表面，避免了动量的损耗。

本实用新型的有益效果为：通过在喷嘴上设置螺旋通道，产生向喷嘴斜后方的高压水射流，利用射流的反冲力使喷嘴前进，产生的水力扭矩使喷嘴绕其轴线旋转，旋转的射流能够将钻出的碎石排出，防止碎石摩擦喷嘴外表面，并且将一部分碎石贴附于井壁的凹坑处，使井壁圆整。

喷嘴头为球形面，喷嘴头上设置的中心破岩孔和外围破岩孔使喷嘴头周围的压强重新分布，在钻井作业中，能够提高射流速度，增大作用在井壁上的压力，有利于提高破岩效率和圆柱形井壁形状的规整性。

附图说明

图1为自进式旋转喷嘴在喷嘴头一端的正视图。

图2为图1中A-A方向的剖视图。

其中，1、喷嘴身；11、进口流道；12、螺旋通道；2、喷嘴头；21、破岩孔；211、中心破岩孔；212、外围破岩孔；3、喷嘴内腔；4、滚珠。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的发明创造均在保护之列。

如图2所示，该自进式旋转喷嘴包括喷嘴身1，喷嘴身1的一端设置有外表面为球面的喷嘴头2。本喷嘴为整件，喷嘴身1呈圆管状，喷嘴头2为呈球型的端盖，喷嘴头2与喷嘴身1的相交处圆滑过渡，且壁厚相等。

如图1、图2所示，喷嘴头2上设置有朝向多个方向的破岩孔21，破岩孔21包括中心破岩孔211和三个外围破岩孔212，中心破岩孔211位于喷嘴轴线上，外围破岩孔212的轴线与中心破岩孔211的轴线呈30°至35°的夹角。中心破岩孔211与外围破岩孔212的轴线相交于球面喷嘴头2的圆心处，即所有破岩孔21的轴线均是垂直于喷嘴头2的侧壁。三个外围破岩孔212均匀分布于以喷嘴轴线上的点为圆心的同一圆周上。

喷嘴身1远离喷嘴头2的一端为高压水进入端，高压水通过进口流道11进入到喷嘴内腔3中，破岩孔21与喷嘴内腔3连通。进口流道11邻近喷嘴内腔3的一端呈锥形，其口径从进水端到出水端逐渐减小；进口流道11的另一端加工有密封管螺纹，密封管螺纹的牙型为55°的不等腰三角形，齿顶和齿根均为圆弧形，有较大的接触面积。芯轴与本喷嘴通过该密封管螺纹连接，不再需要设计密封结构即可达到密封的效果。若高压水由于其压力过高，光凭密封管螺纹无法达到很好的密封效果，可在螺纹上涂抹密封胶来增加密封性。

喷嘴内腔3中放置有滚珠4，喷嘴内腔3的内壁均为圆弧面，使滚珠4在随着高压射流旋转过程中受力均匀稳定，产生的脉冲射流效果更好。滚珠4的直径需大于螺旋通道12和破岩孔21的直径，以保证滚珠4不会随着高压射流脱离喷嘴内腔3对喷嘴造成堵塞。

喷嘴身1的侧壁上对称设置有绕其轴线向高压水进入端缠绕的螺旋通道12，螺旋通道12的起始端与喷嘴内腔3连通，终端延伸到喷嘴外。即螺旋通道12所在的螺纹是一个以螺旋通道12起始处的喷嘴内径为底圆且向外扩张的锥形螺纹，其锥度和螺距决定喷射出的高压水射流的方向，该方向决定轴向力和切向力的分布。切向力产生水力扭矩，轴向力的反作用力产生喷嘴前进的动力。

螺旋通道12的长度不足一圈，且环绕角度大于15°小于45°，优选20°。喷嘴身1的侧壁上设置有多组对称的螺旋通道12，优选三组。根据实际需要，可以是在同一圆周上设置多组螺旋通道12，也可以沿轴向设置多组螺旋通道12。螺旋通道12在喷嘴身的圆周面上对称设置，以保证本喷嘴受到的水力扭矩对称且相等，使喷嘴始终绕着其轴线旋转，从而保证了钻井的路径准确性。

通过对本喷嘴建模分析后，从动压变化云图中可看出最大动压出现在岩石壁面，最小动压出现在喷嘴外表面；从速度云图中可以看出，最大速度出现在岩石壁面上，在喷嘴头一端的外侧出现了涡流，而喷嘴表面的速度最小。岩石壁面受到最大的压力和速度，从而增加了本喷嘴的破岩效率，破碎后的岩石颗粒被高压水射流冲击后向喷嘴后方流去，喷嘴后方的螺旋通道12射出的水流冲击岩石颗粒远离喷嘴，一部分岩石颗粒被带走，一部分岩石颗粒贴附在井壁上，来均匀井壁的凹坑处。